半月板不同切除术后膝关节应力三维有限元研究

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目的:运用三维有限元生物力学实验方法,研究半月板不同部位及程度切除后膝关节(股胫关节面)应力分布及变化规律,为半月板不同切除术优劣的比较提供生物力学依据,从而为半月板损伤的临床治疗提供理论指导。 方法:选取一名正常男性青年膝关节直立位横断CT扫描片一套,扫描范围包括膝关节上、下10cm。图象经计算机处理后,按三维有限元网格划分原则,划分2120个节点,1382个单元,运用Super-Sap有限元计算程序,建立正常膝关节三维有限元模型,并在此模型的基础上根据半月板不同部位及程度切除的需要,删减相应的构成半月板的单元及节点,从而建立15个半月板不同部位及程度切除后的膝关节三维有限元模型。按双腿直立位时膝部实际受力大小和方向对16个模型加载相同载荷,计算得出各模型中各节点及单元的应力值,从而全面了解半月板不同部位及程度切除后的膝关节应力分布情况并进行分析比较。 结果:1、正常膝关节外侧关节面应力分布较内侧均匀,内、外侧关节面应力均未见明显集中。内、外侧关节面峰值应力均位于关节面前部,内侧峰值应力为外侧的1.59倍;内侧关节面平均应力为外侧的1.03倍。内侧关节面承受较外侧更大的应力。2、内、外侧半月板不同部位部分切除术后,内、外侧关节面峰值应力及平均应力均有轻度的增加,而应力分布仍较均匀,未见明显应力集中。内、外侧关节面峰值应力增加幅度为3%~22%,平均应力增加幅度为4%~27%,其中内、外侧半月板前角部分切除后,关节面应力增加最明显,其次为半月板中部及后角部分切除术后。3、内、外侧半月板不同部位次全切除术后,内、外侧关节面峰值应力及平均应力中等程度地增加,半月板次全切除侧关节面应力分布有轻度向关节面内侧缘,靠胫骨髁间棘处集中趋势,而对侧关节面应力分布仍较均匀。内、外侧关节面峰值应力增加幅度为4%~37%,平均应力增加幅度为4%~41%,其中内、外侧半月板前角次全切除后,关节面应力增加最明显,其次为半月板中部及后角次全切除术后。4、不同半月板全切除术后,内、外侧关节面峰值应力及平均应力均有极其显著地增加,单侧半月板全切除后切除侧关节面应力明显集中于关节面内侧缘,靠胫骨骸间棘处,而对侧应力分布仍较均匀;双侧半月板全切除后,双侧关节面应力均明显集中于关节面内侧缘,靠胫骨解间棘处。内、外侧关节面峰值应力增幅为77%一1294%,平均应力增加幅度为82%一743%,其中双侧半月板全切除后,关节面应力增加最明显,其次为外侧半月板全切术后,再次为内侧半月板全切除术后。5、内、外侧半月板同一部位,分别采用部分切除、次全切除、全切除等半月板不同程度切除术后,内、外侧关节面峰值应力及平均应力增加程度随着半月板切除程度的增加而增加,关节面应力集中的程度亦随着半月板切除程度的增加而越加集中于关节面的内侧缘,靠胫骨骸间棘处。结论:l、本课题所建模型属三维人膝关节解剖基静力模型,与人膝关节解剖实际相符,能很好的用来分析膝关节的应力情况。2、半月板具有传导载荷,扩大股胫关节接触面,减少单位面积上的应力并使应力平均分布于整个关节面的作用。3、外侧半月板对载荷传导的作用较内侧者明显,外侧半月板切除后发生关节退行性变的机会较内侧切除者大。4、半月板全切除术对膝关节应力改变影响最大,发生退行性关节炎的机会也最大;其次是半月板次全切除术;再次是半月板部分切除术。
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